Ce s-a întâmplat imediat după Big Bang?

Big Bang (concepţie artist)

Când vine vorba de Big Bang, nu ar trebui să credeţi tot ce auziţi. În acest articol vom vedea dacă ideea de hiperinflaţie a întregului univers este raţională sau reprezintă, pur şi simplu, un concept greşit. Puteţi să ne explicaţi ce înseamnă inflaţia cosmică? Cum s-a produs? Este ea încă în curs de desfăşurare? Cu cât vom înţelege mai multe despre începutul universului, cu atât va fi mai bine.

Universul a apărut în urmă cu aproximativ 13,8 miliarde de ani. Pentru o perioadă foarte scurtă de timp după Big Bang, de aproximativ 10^-44 s, fizica actuală nu ne poate oferi vreun indiciu cu privire la modul în care a avut loc evoluţia universului. Înţelegerea acestei etape se află în afara puterii noastre actuale de înţelegere. În continuare, universul a început să se extindă într-un mod destul de obişnuit, cu excepţia faptului că oriunde te-ai fi uitat exista o concentraţie incredibil de mare de energie. În continuare, după 10^-36 s, s-a întâmplat ceva neaşteptat. Într-o mică fracţiune de secundă, universul şi-a mărit dimensiunea cu un factor de 10¹⁰⁰ ori faţă de dimensiunea sa iniţială pentru că apoi, în mod brusc, să intre în faza de expansiune cu care suntem obişnuiţi, ca şi cum nimic nu s-a întâmplat. Aceasta este povestea inflaţiei şi de acum înainte voi încerca să vă explic de ce cosmologii cred că ea este chiar o idee bună.

De ce este inflaţia o idee bună?

Înainte de a intra în detalii despre cum s-a produs inflaţia vă voi explica, în câteva cuvinte, care a fost motivul pentru care cosmologii au propus ipoteza inflaţiei.

La o scară mare, universul este foarte plictisitor

În momentul de faţă, există un număr important de studii aprofundate ale cerului nopţii, inclusiv hărţi cu poziţia a mai mult de sută de milioane de galaxii. Una dintre caracteristicile cele mai uimitoare, ce au rezultat din observaţiile noastre, este că, în mod statistic, dar şi în medie, considerând o zonă destul de mare de spaţiu, universul este, mai mult sau mai puţin, uniform. Noi observăm, cu aproximaţie, acelaşi număr de galaxii, atât din emisfera de nord, cât şi din cea din sud.

Oriunde privim, noi observăm aceeaşi radiaţie cosmică de fond (CMB). Aceasta este o radiaţie remanentă ce provine din universul timpuriu şi ea vine la noi din toate direcţiile. Este rece, având o temperatură de doar, cu aproximaţie, 2,7 grade peste temperatura de zero absolut, dar în universul timpuriu ea a fost extrem de fierbinte. Ce este mai important este că această radiaţie cosmică de fond diferă cu mai puţin de un factor de 1/100.000 de la un punct la altul pe cer. Ea este incredibil de uniformă.

Fără inflaţie, există o problemă foarte gravă: de ce are universul, cu aproximaţie, aceeaşi temperatură peste tot? Ştiu la ce vă gândiţi. „Imediat după Big Bang, universul a fost, în esenţă, un punct, deci nu ar trebui ca toate să provină de atunci?"

Oh, voi sunteţi inteligenţi, dar amintiţi-vă că universul a fost nu doar mic, la început, dar, de asemenea, el a fost foarte tânăr. Nu a existat timp suficient pentru a se produce omogenitatea în cadrul lui. Aşa cum se întâmplă, a fi tânăr ar trebui să fie mai important decât a fi mic. Fără inflaţie, regiunile îndepărtate din spaţiul cosmic, care sunt separate de mai mult de 1 grad distanţă unghiulară pe cer, ar trebui să fie complet independente una faţă de alta. Ele nu ar trebui să fie obligatoriu identice. De fapt, dacă dezordinea joacă un rol important în Univers (şi conform mecanicii cuantice este posibil), noi am fi foarte surprinşi să observăm că diferite părţi ale cerului, aflate la distanţe foarte îndepărtate una de alta, nu cum ar fi stelele din galaxia noastră sau din apropiere, arată la fel.

Inflaţia este soluţia problemei. Dacă este posibil ca pentru o mică fracţiune de secundă să se agite acest Univers timpuriu şi apoi să i se permită să-şi mărească dimensiunile cu un factor uriaş, iată, universul va arăta, mai mult sau mai puţin, uniform în zilele noastre.


Universul nu este în totalitate plictisitor

Desigur, universul nu este complet uniform. Dacă ar fi fost complet uniform, el nu ar fi putut genera stelele, galaxiile şi pe noi înşine. Toate acestea apar atunci când o regiune din Univers, care este doar cu puţin mai densă decât media concentraţiei materiei din Univers, începe să-şi exercite influenţa gravitaţională şi se dezvoltă, crescând din ce în ce mai mult.

Dar de unde provin aceşti germeni de formare a viitoarelor structuri cosmice? Imaginea de mai sus este foarte importantă şi ea ar putea să ne dea câteva sugestii cu privire la întrebarea noastră. Ea prezintă o imagine a universului aşa cum arăta acesta cu aproximativ 380.000 ani după momentul Big Bang, adică cu mult mai târziu după perioada de inflaţie. Radiaţia cosmică de fond ne prezintă, cu adevărat, primele imagini ale universului pe care le avem şi în cadrul ei se pot identifica zone calde (în culoare roşie) şi zone mai reci (în culoare albastră) din acea perioadă timpurie a universului. Desigur, cald şi rece reprezintă măsuri relative. Noi, în cazul de faţă, vorbim de diferenţe de temperatură ce reprezintă doar a suta mia parte dintr-un grad.


Chiar şi aşa, de ce nu sunt aceste regiuni perfect omogene?

Datorită principiilor din mecanica cuantică. Am scris de nenumărate ori cu privire la faptul că, la o scară microscopică, perechi de particule microscopice apar şi dispar (n.t. particule virtuale), în mod constant. În găurile negre, în cazul în care puteţi separa iremediabil aceste perechi, înainte ca acestea să aibă vreo şansă de a se recombina, aţi putea să le păstraţi în existenţă.

Acelaşi principiu s-a aplicat şi în universul timpuriu. La o scară microscopică, densitatea acestor particule virtuale poate fi privită sub forma unui zgomot alb, cu puţine fluctuaţii care apar într-un intervalul de timp extrem de scurt. Apoi iată, perechile de particule se separă datorită faptului că universul intră în faza de inflaţie şi ele nu pot să se recombine. Structura universului pe care noi o observam în prezent a fost, în prima fază, statică.


Universul este plat

Deoarece totul se află în expansiune în jurul nostru, geometria la o scară mare a universului este extrem de greu de identificat. Nu cred că aceasta reprezintă o problemă care ne afectează viaţa de zi cu zi şi nu doresc să analizez aici care sunt caracteristicile unui univers plat în comparaţie cu un univers închis sau faţă de un univers deschis (aş fi fericit să fac acest lucru cu o altă ocazie sau puteţi citi ce am scris despre acest subiect în cartea mea), dar acest lucru ne-ar putea ajuta să ne formăm o idee de bază cu privire la acest subiect, dacă ne gândim la cum arată lucrurile pe Pământ.

Pământul este, în mod aproximativ, o sferă. Acest lucru înseamnă că, de exemplu, hărţile Pământului vor fi distorsionate dacă le realizăm pe o foaie plată de hârtie. Pe de altă parte, dacă Pământul ar fi fost într-adevăr plat, noi nu am fi întâmpinat asemenea probleme. Aţi putea cădea de pe marginea Pământului, desigur, dar nu aţi avea nicio dificultate de a face hărţi, ceea ce pentru scopul nostru este cu mult mai important.

În măsura în care putem afirma, universul este, într-adevăr, aproape plat, poate chiar cu precizie plat. Din nou, acest lucru înseamnă că, pur şi simplu, geometria la o scară a întregului univers observabil respectă modul în care este ea descrisă de Euclid. Problema este că dacă consideraţi un univers care este doar un pic curbat, acesta devine foarte repede extrem de curbat. Cu alte cuvinte, singura cale prin care universul poate să fie aproape plat, în zilele noastre, este ca acesta să fi fost aproape plat încă de la începutul timpului (cu o precizie de 60 de zecimale). Acest lucru pare puţin probabil să se întâmple datorită şansei.

Pe de altă parte, dacă am lua un balon (în mod clar curbat) şi îl umflam extrem de mult, atunci foarte repede el va părea plat pentru orice furnică care se întâmplă să se afle pe suprafaţa lui. Această remarcă reprezintă motivul pentru care Pământul (rotund) ne pare a fi plat în viaţa de zi cu zi. Atâta timp cât orizonturile mai îndepărtate ale universului sunt mult mai mici decât dimensiunea balonului, totul pare destul de plat pentru viaţa de zi cu zi.


Monopoli magnetici!

Cu ceva timp în urmă am vorbit despre monopolii magnetici. O modalitate prin care aceştia s-ar putea forma (în cazul în care ei există cu adevărat) considera că ar putea exista o nepotrivire între câmpurile electromagnetice din regiunile apropiate din spaţiu. Monopolii, în principiu, s-ar putea forma lângă marginile acestora. Dar, dacă acesta este cazul, ei ar trebui să fie foarte rar întâlniţi. Tot inflaţia ne scapă şi de această problemă, deoarece prin creşterea bruscă a mărimii universului s-ar anula instantaneu densitatea oricăror structuri din interiorul său. Ca printr-o scamatorie rapidă, noi am decis că nu ar trebui să mai observăm monopoli magnetici şi într-adevăr (cel puţin până acum) nu am observat.


Cum se produce inflaţia?

După ce am vorbit mai mult despre motivele care au determinat introducerea conceptului de inflaţie în cosmologie, doresc să prezint cum se crede că s-a produs inflaţia. În prezent, nu există doar un singur model inflaţionist al universului (chiar dacă cei mai mulţi cosmologi acceptă o formă de inflaţie, ei nu sunt, în general, în consens în ceea ce priveşte modul în care ea s-a produs), dar toate modelele propuse au în comun anumite aspecte.

Secretul este, ca întotdeauna, să se invoce celebra ecuaţie E=mc². Energiile şi masele se pot cu uşurinţă converti unele în altele. În consecinţă, în ciuda unor interpretări greşite, ceea ce rezultă este că energia este o sursă a gravitaţiei la fel cum este şi masa. În primele zile ale universului timpuriu, acesta conţinea câmpuri de energie. Câmpul inflaţiei numit „inflaton" (nu este o greşeală de ortografie) a conţinut, la început, o cantitate relativ mare de energie care s-a redus, în cele din urmă. Asta este, deşi aţi putea să presupuneţi că detaliile matematice sunt un pic complicate. De-a lungul timpului, o mare cantitate de energie a fost eliberată şi ea a condus la creşterea gravitaţiei, într-un mod destul de complicat şi a inclus şi o expansiune exponenţială. După un timp, câmpul corespunzător inflaţiei s-a stabilizat într-o stare finală, de energie mai mică, iar inflaţia s-a oprit.

Această explicaţie nu este chiar atât de ciudată pe cât pare. Câmpul Higgs (generat de particula care se consideră că este responsabilă de apariţia masei particulelor elementare), se comportă într-un mod foarte asemănător. şi dacă această expansiune exponenţială ne sună familiar, atunci explicaţia inflaţiei ar trebui să nu ne mai pară aşa ciudată. Este exact acelaşi lucru care se întâmplă cu energia întunecată, acea energie misterioasă care cauzează expansiunea accelerată a universului din prezent. Diferenţa, totuşi, este faptul că energiile implicate în procesul de expansiune inflaţionistă erau de ordinul a 10^100 ori mai mari.

Unii dintre voi vor fi, fără îndoială, profund preocupaţi de problema că universul s-a extins „mai repede decât lumina". Respiraţi adânc. Totul va fi bine. Important este că nu există niciun motiv a crede că universul s-a extins mai repede decât lumina. Unităţile de măsură sunt complet diferite. Vitezele obişnuite (ca cea a luminii) se măsoară în metri pe secundă sau km pe oră sau ceva de genul ăsta, dar viteza de expansiune a universului este măsurată în intervalul de timp necesar pentru că acesta să-şi dubleze mărimea. Înţelegeţi? Sunt diferite unităţile de măsură.

Dar să considerăm punctul vostru de vedere. La început (dar şi acum, dacă se consideră galaxii foarte, foarte îndepărtate una de alta), două puncte din spaţiu se îndepărtează unul de altul mai repede decât viteza luminii. Cheia problemei este dată de înţelegerea faptului că, deoarece lumina este antrenată în expansiunea universului, nu se poate ca prin utilizarea expansiunii să reuşim să depăşim lumina într-o întrecere corectă de viteză. Viteza limită a luminii nu poate fi depăşită.

Cu toate acestea, procesul de inflaţie ar putea fi chiar mult mai ciudat decât o expansiune mai rapidă decât viteza luminii. Anumite regiuni ale spaţiului ar fi putut avea un câmp iniţial al inflaţiei diferit de altele. Acest lucru înseamnă că inflaţia s-ar putea să fi durat un pic mai mult sau mai puţin de la un loc la altul, determinând proprietăţi diferite în aceste zone. Dar un pic mai mult sau mai puţin înseamnă o diferenţă uriaşă atunci când se ia în considerare o expansiune spaţială atât de rapidă. Unele părţi din aceste regiuni, în care câmpul inflaţiei a fost mai puternic, ar putea continua să se extindă în plus faţă de alte regiuni. De fapt, acest lucru, în cele din urmă, ar putea genera o inflaţie veşnică, generând un multivers literalmente infinit. Aceasta ar putea să vă ofere şansa de a vă putea întâlni persoana voastră geamănă.

David Goldberg este autor, împreună cu Jeff Blomquist, a cărţii „A User's Guide to the Universe: Surviving the Perils of Black Holes, Time Paradoxes, and Quantum Uncertainty". De asemenea, el este profesor de fizică în cadrul Drexel University.